GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TOÀN TẬP (DÙNG CHO TẤT CẢ CÁC TRƯỜNG KĨ THUẬT )

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TOÀN TẬP (DÙNG CHO TẤT CẢ CÁC TRƯỜNG KĨ THUẬT ) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TOÀN TẬP (DÙNG CHO TẤT CẢ CÁC TRƯỜNG KĨ THUẬT ) ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐÀ NẴNG - HỒ CHÍ MINH

CHƯƠNG 1

CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1.1 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khoá điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua Các van bán dẫn có thể đóng cắt được dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi

và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi

Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là điều

vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan tới quá trình đóng cắt cũng như vấn đề điều khiển chúng Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính

cơ bản chung, đó là:

- Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc sẽ có giá trị rất nhỏ

- Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều (trừ triac) khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò

Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành:

- Van không điều khiển, như điôt

- Van điều khiển không hoàn toàn (bán điều khiển), như thyristor, triac

- Van điều khiển hoàn toàn (bán điều khiển), như bipolar transistor, MOSFET, IGBT, GTO

1.2 ĐIÔT

Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một

lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Điôt có hai cực,

anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p,

catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n

Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ

A đến K khi điện áp UAK dương Khi UAK

âm, dòng qua điôt gần như bằng không

Cấu tạo và ký hiệu của điôt biểu diễn trên

hình 1.1

Anôt

Catôt

p n

A

K D

)

Hình 1.1 Điôt: a) Cấu tạo; b) Ký hiệu

1.2.1 Cấu tạo của điôt

Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một điôt Ở nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion dương ở đây Do các điện tích trong vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau nên vùng này trở nên nghèo điện tích, hay là vùng có điện trở lớn Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển

đến sẽ nhập vào lớp các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm Các ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được Kết quả tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở phía lớp n Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang vùng p Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt độ 250C (hình 1.2)

Các điôt công suất được chế tạo chịu được

một giá trị điện áp ngược nhất định Điều này

đạt được nhờ một lớp bán dẫn n

tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống như lớp n, nhưng ít điện

tử tự do hơn Khi lớp tiếp giáp p-n- được đặt

dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện

trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì

vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n

-điện trở tương đương của điôt càng lớn và dòng

điện không thể chạy qua Toàn bộ điện áp ngoài

sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích Ta nói rằng

điôt bị phân cực ngược (hình 1.3a)

E

jU

Vùng nghèo điện tích

Hình1.2 Sự tạo thành điện thế rào cản

trong tiếp giáp p-n

u

+-

-Vùng nghèo điện tích Vùng trở lên không có độ dẫn vì các điện

tích không cơ bản thâm nhập

)

a

)b

Hình 1.3 Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận

Khi điện áp bên ngoài tạo ra điện trường ngoài có hướng ngược với điện trường trong

E, vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp lại Nếu điện áp bên ngoài đủ lớn hơn Uj, cỡ 0,65V, vùng nghèo điện tích sẽ thu hẹp bằng không và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc tinh thể của điôt Dòng điện chạy qua điôt lúc này sẽ chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài và một phần điện trở trong điôt bao gồm điện trở của tinh thể bán dẫn giữa anôt và catôt, điện trở do phần kim loại làm dây dẫn ra ngoài và điện trở do tiếp xúc giữa phần kim loại và bán dẫn Ta nói điôt được phân cực thuận (hình 1.3b)

1.2.2 Đặc tính vôn-ampe của điôt

Một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của điôt trên hình 1.4a Đặc tính gồm hai phần, đặc tính

thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với U AK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc

phần tư III tương ứng với U AK < 0

Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua

ngưỡng điện áp U D0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua điôt Dòng điện I D có thể thay

đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên điôt U AK hầu như ít thay đổi Như vậy đặc tính thuận của điôt đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ

Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp U AK tăng dần từ 0 đến giá trị U ng.max (điện áp ngược lớn nhất) thì dòng điện qua điôt vẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt

cản trở dòng điện theo chiều ngược Cho đến khi U AK đạt đến giá trị U ng.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của điôt bị phá

vỡ Quá trình này không có tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dòng điện vẫn không giảm Ta nói điôt đã bị đánh thủng

Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dùng đặc tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình 1.4b Đặc tính này có thể biểu diễn qua công thức:

D D 0 D

D U r I

trong đó

D D

I

U r





 là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng

Đặc tính vôn-ampe của các điôt thực tế sẽ khác nhau, phụ thuộc vào dòng điện cho phép chạy qua điôt và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0 Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, điôt có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng 

Di

0 UD.0 u

Di

Di

Hình 1.4 Đặc tính vôn-ampe của điôt:

a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng

1.2.3 Đặc tính đóng cắt của điôt

Khác với đặc tính vôn-ampe là đặc tính tĩnh, đặc tính u(t), i(t) là đặc tính cho thấy

điện áp và dòng điện đi qua điôt theo thời gian, gọi là động hay còn gọi là đặc tính đóng – cắt

Hình 1.5 là đặc tính đóng – cắt tiêu biểu của một điôt Trong khoảng (1), (6) điôt ở trạng thái khóa, với điện áp phân cực ngược và dòng bằng 0 Ở đầu khoảng (2) điôt bắt

đầu dẫn dòng Dòng điện ban đầu nạp điện tích cho tụ điện tương đương cảu tiếp giáp p-n phân cực ngược làm điện áp u(t) trên điôt tăng đến vài vôn Khi u(t) trở lên dương, tiếp

giáp p-n được phân cực thuận Khi lượng điện tích đã đủ lớn độ dẫn điện của tiếp giáp

tăng lên, điện trở giảm, điện áp trên điôt trở nên ổn định ở mức sụt áp U D0, cỡ 1÷1,5V Trong khoảng (3) điôt ở trạng thái dẫn

Quá trình khóa điôt bắt đầu ở khoảng (4) Điôt vẫn còn được phân cực thuận cho đến

khi các điện tích trong lớp tiếp giáp p-n được di tản hết ra ngoài.Thời gian di tản phụ thuộc tốc độ tăng của dòng điện ngược d(i)/dt và lượng điện tích tích lũy trước đó Ở cuối

giai đoạn (4) tiếp giáp p-n trở nên phân cực ngược và điôt có thể phục hồi tính chất khóa

ở cuối giai đoạn (5)

Diện tích được gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng lượng điện tích phải di tản ra ngoài Qr (Qr gọi là lượng điện tích phản hồi)

Thời gian tr giữa đầu giai đoạn (4) đến cuối giai đoạn (5) gọi là thời gian phục hồi tính chất khóa của van

i(t)

u(t)

0 D

U

D I

r

t

r

Q dt

/ di

0

0

t

t

Hình 1.5 Dạng điện áp và dòng điện trên điôt trong quá trình đóng cắt;

1.2.4 Các thông số cơ bản của điôt

1 Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận, I D

Trong quá trình làm việc, dòng điện chạy qua điôt sẽ phát nhiệt làm nóng tinh thể bán dẫn của điôt Công suất phát nhiệt bằng tích của dòng điện chạy qua điôt với điện áp rơi trên nó Điôt chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anôt đến catôt, điều này nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với giá trị trung bình của dòng điện Vì vậy dòng điện ID là thông số quan trọng để lựa chọn điôt cho một ứng dụng thực tế

2 Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chiụ được, U ng.max

Thông số thứ hai quan trọng để lựa chọn điôt là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt

có thể chịu đựng được Như đặc tính vôn-ampe đã chỉ ra, quá trình điôt bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, vì vậy trong mọi ứng dụng phải luôn đảm bảo rằng

U AK < U ng.max

3 Tần số

Quá trình phát nhiệt trên điôt cũng phụ thuộc vào tần số đóng cắt của điôt Trong quá

trình điôt mở ra hoặc khoá lại, tổn hao công suất tức thời u(t), i(t) có giá trị lớn hơn lúc

điôt dẫn dòng hoặc đang bị khoá Vì vậy nếu tần số đóng cắt cao hoặc thời gian đóng cắt của điôt so sánh được với khoảng thời gian dẫn dòng thì tổn thất trên điôt bị quy định chủ yếu bởi tần số làm việc mà không phải giá trị trung bình của dòng điện Các điôt được chế tạo với tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là một thông số quan trọng phải lưu ý khi lựa chọn điôt

4 Thời gian phục hồi t r và điện tích phục hồi Q r

Các điôt khi khoá lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Qr ra khỏi cấu trúc bán dẫn, phục hồi khả năng khoá của mình Thời gian phục hồi tr có thể bị kéo dài, làm chậm lại quá trình chuyển mạch giữa các van Dòng điện ngược có thể tăng xung dòng trên các van mới mở ra với biên độ có thể rất lớn Hơn nữa thời gian phục hồi cũng làm tăng tổn thất trong quá trình đóng cắt các van Những lý do như trên khiến ta phải đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng của tr trong những trường hợp cụ thể Để giảm thời gian chuyển mạch có thể phải sử dụng loại điôt có tr rất ngắn, cỡ s Tuy nhiên khi đó dòng điện ngược thay đổi quá nhanh, có thể gây nên điện áp rất lớn trên những mạch điện có điện cảm Tóm lại không nên nghĩ rằng điôt là một phần tử rất đơn giản mà bỏ qua quá trình khoá lại của điôt

anôt A, catôt K, cực điều

khiển G như được biểu

diễn trên hình 1.6

A

K G

T

1J

2J3J1

Q

2Q

p

p

+n

Hình 1.6 Thyristor: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

1.3.1 Đặc tính vôn-ampe của thyristor

Đặc tính vôn-ampe của thyristor gồm hai phần (hình 1.7) Phần thứ nhất nằm trong

góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp U AK > 0; phần thứ

hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp U AK <

0

1 Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (I G = 0)

Khi dòng vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anôt-catôt

Khi điện áp U AK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của thyristor, hai tiếp giáp J 1 , J 3 đều phân cực

ngược, lớp J 2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi

U AK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất U ng.max sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt, quá

trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp U AK

xuống dưới mức U ng.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò Thyristor

đã bị hỏng

Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, U AK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng

điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anôt-catôt vẫn có giá

trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J 1 , J 3 phân cực thuận, J 2 phân cực ngược Cho đến khi U AK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, U th.max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anôt-catôt độ ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài

Nếu khi đó dòng qua thyristor

lớn hơn mức dòng tối thiểu,

gọi là dòng duy trì I dt, thì khi

đó thyristor sẽ dẫn dòng trên

đặc tính thuận, giống như

đường đặc tính thuận ở điôt

Đoạn đặc tính thuận được đặc

trưng bởi tính dẫn dòng có thể

có giá trị lớn nhưng điện áp

rơi trên anôt-catôt nhỏ và hầu

như không phụ thuộc vào giá

th v

U Uth.max

V

i

dti

1 G

I

2 G

I

3 G

I

Hình 1.7 Đặc tính vôn-ampe của thyristor

2 Trường hợp có dòng vào cực điều khiển (I G > 0)

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá

trị lớn nhất, U th.max Điều này được mô tả trên hình 1.6 bằng những đường nét đứt, ứng

với giá trị dòng điều khiển khác nhau I G1 , I G2 , I G3,… Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn

hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với U AK nhỏ hơn

Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0

1.3.2 Mở, khoá thyristor

Thyristor có đặc tính giống điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều,

từ anôt đến catôt, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác với điôt, để thyristor có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác Do đó thyristor được gọi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được

1 Mở thyristor

Khi được phân cực thuận, U AK > 0, thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất, có

thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, U th.max, điện trở tương đương trong mạch anôt-catôt sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp

đến giá trị U ng.max Và lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện

có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catôt Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anôt-catôt nhỏ Khi đó nếu dòng qua anôt-catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy

trì (I dt) thì thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều này có nghĩa là có thể mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ,

so với công suất của mạch lực mà thyristor là phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

2 Khoá thyristor

Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tương đương mạch

anôt-catôt tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống nhỏ hơn dòng duy trì, I dt Tuy nhiên để

thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt lại dương (U AK > 0), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất

cản trở dòng điện của mình

Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, U AK > 0, hai lớp tiếp giáp J 1 , J 3, phân cực

thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J 2 đang bị phân cực

ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chạy qua ba lớp tiếp giáp J 1 , J 2 , J 3 Để khoá thyristor

lại cần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (I dt ) bằng cách hoặc là đổi chiều

dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của thyristor Sau khi dòng

về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anôt-catôt (U AK < 0) trong một khoảng

thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, t r, chỉ sau đó thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa

catôt và anôt Dòng điện ngược này di chuyển các điện tích ra khỏi tiếp giáp J 2 và nạp

điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J 1 , J 3 được phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor

và nạp điện cho tiếp giáp J 1 , J 3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó

Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của thyristor Thời gian

phục hồi xác định dải tần số làm việc của thyristor Thời gian phục hồi t r, có giá trị cỡ 5 –

50 s đối với các thyristor tần số cao và cỡ 50 – 200 s đối với các thyristor tần số thấp

1.3.3 Các thông số cơ bản của thyristor

1 Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, I tbv (A)

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá giá trị cho phép Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt

độ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên Ngoài ra, thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau:

- Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến một phần ba dòng I tbv

- Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng I tbv

- Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100 dòng I tbv

2 Điện áp ngược cho phép lớn nhất, U ng.max (V)

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng dụng

phải đảm bảo rằng, tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anôt-catôt U AK luôn nhỏ hơn

hoặc bằng U ng.max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ

đồ đó

3 Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor, t r (s)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anôt-catôt của thyristor sau khi dòng anôt-catôt đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà thyristor vẫn khoá Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là trong các

bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc là nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khoá phải bằng 1,5 đến 2 lần tr

4 Tốc độ tăng điện áp cho phép, ( V / s )

dt

Thyristor được sử dụng như một phần tử điều khiển, nghĩa là mặc dù được phân cực

thuận (U AK >0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy

qua Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J 2 như được chỉ ra trên hình 1.8

1 J

2 J

3 J p

p

+ n K

A

n

Hình 1.8 Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dung CJ2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể

có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với các thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp dU dt vào khoảng 50 đến 200 V s; với các thyristor tần số cao dU dt có thể đạt 500 đến 2000 V s

Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có dI dtcỡ 50-100 /s, với các thyristor có tần số cao với dI dtcỡ 500-2000 /s Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ Cuộn kháng có thể có lõi không khí hoặc lõi ferit Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo các điện kháng giá trị khác nhau tuỳ theo số lượng xuyến sử dụng Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng; khi dòng điện lớn cuộn kháng bị bão hoà, điện cảm

giảm gần như bằng không Như vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ

dòng định mức qua thanh dẫn

1.4 TRIAC

Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p-n-p-n

như ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2 như được thể hiện trên hình 1.9a

Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.9b, có thể dẫn dòng theo cả hai chiều T1 và T2 Về

nguyên tắc, triac hoàn toàn có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song ngược

như trên hình 1.9c

)c

2

T

1

TG

)b

2

T

1

TG

p

pn

n

)a

Hình 1.9 Triac: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu; c) Sơ đồ tương đương với hai thyristor song song ngược

Đặc tính vôn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III,

mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor như được biểu diễn trên hình

1.10a

2T

1TG

R

-+

)b

i

dtI

vI

1 GI2 GI3 GI

umax thuth vu0

)a

Hình 1.10 a) Đặc tính vôn-ampe; b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm

Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều

khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng

âm có độ nhạy kém hơn, tức là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2

phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương Vì vậy trong

thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac, sử dụng xung điều khiển âm là

tốt hơn cả Nguyên lý thực hiện điều khiển bằng xung dòng điều khiển âm được biểu diễn

trên hình 1.10b

Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các côngtắctơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ

1.5 THYRISTOR KHOÁ ĐƢỢC BẰNG CỰC ĐIỀU KHIỂN, GTO (GATE OFF THYISTOR)

TURN-Thyristor thường, như được giới thiệu ở mục 1.3, được sử dụng rộng rãi trong các sơ

đồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài kW đến công suất cực lớn, vài trăm MW Đó là vì trong các sơ đồ chỉnh lưu, thyristor có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới, điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh bằng cách chủ động thay đổi thời điểm

mở của các thyristor Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, trong đó các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp một chiều thì điều kiện để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa Khi đó việc dùng các thyristor thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi

Các GTO, như tên gọi của nó, nghĩa là khoá lại được bằng cực điều khiển, có khả năng về đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như thyristor, là một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khoá dưới tác động của tín hiệu điều khiển Việc ứng dụng các GTO đã phát huy ưu điểm cơ bản của các phần tử bán dẫn, đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ

A

K G

) a

A

G K )

+ - G

Hình 1.10 GTO:

a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu; c) Yêu cầu dạng xung điều khiển; d) Nguyên lý thực hiện

Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với thyristor như được chỉ ra trên hình 1.10 Ký hiệu của GTO cũng chỉ ra tính chất điều khiển hoàn toàn của nó Đó là dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn dòng điện đi ra khỏi cực điều khiển dùng để

di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, nghĩa là để khoá GTO lại

Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anôt được bổ sung các lớp n+ Dấu (+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n+ của catôt

Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anôt có điện áp dương hơn so với catôt thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của thyristor Tuy nhiên nếu catôt có điện áp dương hơn so với anôt thì tiếp giáp p+-n ở sát anôt sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược

GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở thyristor thường Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao

hơn ở thyristor thường Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì Giống như ở thyristor thường, sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng Như vậy

có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể

Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển Khi van đang dẫn

dòng, tiếp giáp J 2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ catôt, vùng

n+, đến anôt, vùng p+, tạo nên dòng anôt Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+

của anôt và vùng

n+ của catôt Kết quả là dòng anôt sẽ bị giảm cho đến khi về đến không Dòng điều khiển được suy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá

Yêu cầu về xung điều khiển và nguyên

tắc thực hiện được thể hiện trên hình

1.10c,d Hình 1.10c thể hiện xung dòng

khóa GTO phải có biên độ rất lớn, vào

khoảng 20-25% biên độ dòng anôt-catôt

Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng

điều khiển phải có độ dốc sườn xung rất

lớn, khoảng 0,5 đến 1µs Điều này giải

thích tại sao nguyên lý thực hiện tạo xung

dòng khoá là nối mạch cực điều khiển vào

một nguyên tắc, nguồn áp có nội trở bằng

không và có thể cung cấp một dòng điện vô

Hình1.10e Mạch điều khiển GTO

Sơ đồ đơn giản trên hình 1.10e mô tả việc thực hiện nguyên lý điều khiển trên Mạch điện dùng hai khoá transistor T1, T2 Khi tín hiệu điều khiển là 15V thì T1 mở, dòng chạy

từ nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp điện cho tụ C1 tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO Khi tụ C1 nạp đầy đến điện áp của điôt ổn áp Dz, dòng điều khiển kết thúc Khi tín hiệu điều khiển rơi xống mức 0V thì T1 bị khoá, T2 sẽ mở dó có điện áp trên

tụ C1, tụ C1 bị ngắn mạch qua cực điều khiển, catôt và transistor T2 tạo nên dòng đi ra khỏi cực điều khiển, khoá GTO lại Điôt Dz ngăn không cho tụ C1 nạp ngược lại Ở đây vai trò của nguồn áp chính là tụ C1, do đó tụ C1 phải chọn là loại có chất lượng rất cao Transistor T2 phải chọn là loại xung dòng có biên độ lớn chạy qua

1.6 TRANSISTOR CÔNG SUẤT, BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR) 1.6.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT

Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n Cấu trúc này thường được gọi

là Bipolar Junction Transistor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương Transistor có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E) BJT công suất thường là loại bóng ngược Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất được biểu diễn trên hình 1.12, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E

Trong chế độ tuyến tính, hay còn gọi là chế độ khuếch đại, transistor là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng  lần dòng bazơ (dòng điều khiển), trong

đó  được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện: I C = .I B

Tuy nhiên, trong điện tử công suất, transistor chỉ được sử dụng như một phần tử khoá Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:

I k

I 

trong đó k bh = 1,2  1,5 gọi là hệ số bão hoà Khi đó transistor sẽ ở trong chế độ bão hoà

với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp bão hoà, U CE.bh

C Colecto

-B

E C

)

Hình 1.12 BJT: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng không, điện

áp U CE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với transistor

Tổn hao công suất trên transistor bằng tích dòng điện colectơ với điện áp rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá

Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều bị phân cực ngược Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n- Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT Transistor ở chế độ tuyến tính nếu tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược Trong chế độ tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ

sẽ kích thích các điện tử từ tiếp giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là tốc độ trung hoà quyết định dòng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ,

I C = .I B Transistor ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư thừa thì các điện tích sẽ không bị trung hoà hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở nhỏ, dòng điện

có thể chạy qua Cũng do tốc độ trung hoà điện tích không kịp nên transistor không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá trị dòng điện sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định Đó là chế độ mở bão hoà

1.6.2 Đặc tính đóng cắt của transistor

Chế độ đóng cắt của transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC Ta phân tích quá trình đóng cắt của một transistor qua sơ

đồ khoá trên hình 1.13a, trong đó transistor đóng cắt một tải thuần trở Rt dưới điện áp

+U n điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -U B2 đến +U B1 và ngược lại Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.13b

1 Quá trình mở

Theo đồ thị hình 1.13b, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ khoá với

điện áp ngược –U B2 đặt lên tiếp giáp B-E Quá trình mở BJT bắt đầu từ khi tín hiệu điều

khiển nhảy từ -U B2 lên mức +U B1 Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương

bằng C in = C BE + C BC , nạp điện từ điện áp -U B2 đến +U B1 Khi U BE còn nhỏ hơn không,

chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với I C và U CE Tụ C in chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U *

của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện áp rơi trên điôt theo chiều thuận, thì quá trình

nạp kết thúc Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi U BE vượt quá giá trị

không ở đầu giai đoạn (3) Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, t d(on) của BJT

n

U+

iC

)t(

iB

)a

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

)t(

uB

1 B

U

2 B

U

) t (

uBE

2 B

U

V7,0

)t(

)t(

iB2

) t (

uCE

n

U+

bh C

I)

t(

Hình 1.13 Quá trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp

Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colêctơ Các điện tử thoát ra khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ Quá trình tăng dòng IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong

bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư thừa ∆Q B mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dòng bazơ không đổi:

B

* 1 B 1 B

R

U - U

Tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.13a, ta có:

B BC C BE C 1

Dòng colectơ tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là I C (∞) = β.I B1 Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hoà, IC.bh, BJT ra

khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện i C = β.i B không còn tác dụng nữa Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận Vì khoá làm việc với tải trở

trên colectơ nên điện áp trên colectơ - emitơ U CE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng

của dòng I C Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn

Trong khoảng (4), điện áp U CE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng, xác định bởi biểu thức:

U CE.bh = U n – I C.bh R t

Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n

và phụ thuộc cấu tạo của BJT

Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà

2 Quá trình khoá BJT

Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá

Khi điện áp điều khiển thay đổi từ +U B1 xuống –U B2 ở đầu giai đoạn (6), điện tích

tích luỹ trong lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được Dòng I B ngay lập tức sẽ

có giá trị:

B

* 2 B 2 B

R

U U

Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi I B2 Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp bazơ - colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực ngược Khoảng thời

gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, t d(off)

Trong khoảng (7), dòng colectơ I C bắt đầu giảm về không, điện áp U CE sẽ tăng dần tới

giá trị +U n Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó dòng I C tỷ

lệ với dòng bazơ Tụ C BC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược, bằng –U n Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.13a, ta có:

I B2 = i C.BC - i B

trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của transistor Từ đó có thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược Đến cuối khoảng (7) transistor mới khoá lại hoàn toàn

Trong khoảng (8), tụ bazơ - emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2 Transistor ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9)

3 Dạng tối ưu của dòng điều khiển khóa transistor

Transistor có thể khóa lại bằng cách cho điện áp đặt giữa bazơ- emitơ bằng không,

tuy nhiên có thể thấy rằng khi đó thời gian kéo dài đáng kể Khi dòng I B2 = 0, toàn bộ

điện tích tích lũy trong cấu trúc bán dẫn của transistor sẽ chỉ bị suy giảm nhờ quá trình tự trung hòa sau một thời gian nhất định

Có thể rút ngắn thời gian mở, khóa transistor bằng cách cưỡng bức quá trình di chuyển điện tích nhờ dạng dòng điện điều khiển như biểu diễn trong hình 1.13 Ở thời

điểm mở, dòng I B1 có giá trị lớn hơn nhiều so với giá trị cần thiết để bão hòa BJT trong

chế độ dẫn, I B1 = k bh I C Như vậy, thời gian trễ khi mở td(on) và thời gian mở tr(on) (khoảng (3) trên đồ thị hình 1.13) sẽ được rút ngắn

Dòng khóa I B2 cũng cần có biên độ lớn để rút ngắn thời gian trễ khi khóa t d(off) và thời

gian khóa t r(off) (khoảng (7) trên đồ thị hình 1.13)

Tuy nhiên, dòng I B cũng làm nóng các tiếp giáp trong BJT, vì vậy giá trị biên độ của chúng cũng phải được hạn chế phù hợp theo các giá trị giới hạn cho trong các đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất

1.7 TRANSISTOR TRƯỜNG, MOSFET (METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR)

1.7.1 Cấu tạo của MOSFET

Khác với cấu trúc BJT,

MOSFET có cấu trúc bán dẫn

cho phép điều khiển bằng điện

áp với dòng điện điều khiển cực

nhỏ Hình 1.14 thể hiện cấu trúc

bán dẫn và ký hiệu của một

MOSFET kênh dẫn kiểu n

Trong đó G là cực điều khiển

được cách ly hoàn toàn với cấu

trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện

nối giữa D và S Cấu trúc bán

dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu

p cũng tương tự nhưng các lớp

bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện

ngược lại Tuy nhiên đa số các

MOSFET công suất là loại có

kênh dẫn kiểu n

n

n

Cực gốc S

Cực điều khiển G

Cực máng D)

a

G

D

S)b

Hình 1.15 Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET

1.7.2 Nguyên lý hoạt động của MOSFET

Hình 1.15 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET Trong chế độ làm việc bình thường u > 0 Giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng

không, uDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện Giữa cực gốc và cực máng

sẽ là tiếp giáp p-n- phân cực ngược Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo của tiếp giáp này (hình 1.15a)

Nếu điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể xuất hiện Khi điện áp điều khiển là dương, UGS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình 1.15b) Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực

máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT, IGBT, thyristor là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản Dòng điện

giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS

Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.15c), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n-, tương đương với một điôt ngược nối giữa D và S Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các điôt ngược mắc song song với các van bán dẫn Như vậy ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một điôt nội tại như vậy

1.8 TRANSISTOR CÓ CỰC ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY, IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Về mặt điều khiển, IGBT gần như giống hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ Hình 1.16 giới thiệu cấu trúc bán dẫn của một IGBT

Cực điều khiển G Emitơ E

E

HÌnh 1.16 IGBT: a) Cấu trúc bán dẫn;

b) Cấu trúc tương đương với một transistor n-p-n và một MOSFET; c) Sơ đồ thương đương; d) Ký hiệu

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitơ (tương tự cực gốc) với colectơ (tương tự cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET Có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET (hình 1.16b và c)

Dưới tác dụng của điện áp điều khiển U GE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các

điện tử được hình thành, giống như cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n-

-p như ở cấu trúc giữa bazơ và colectơ ở transistor thường, tạo nên dòng colectơ

1.9 TỔN HAO CÔNG SUẤT TRÊN CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Ngoài tổn thất do mạch điều khiển sinh ra đã đề cập đến ở những phần tử cụ thể nói trên, ta sẽ phân tích các thành phần tổn thất trong các chế độ làm việc của van sau đây

1.9.1 Tổn thất trong chế độ tĩnh, đang dẫn dòng hoặc đang khoá

Khi phần tử đang ở trong chế độ dẫn dòng hoặc đang khoá, tổn hao công suất bằng tích của dòng điện qua phần tử với điện áp rơi trên nó Khi phần tử đang khoá, điện áp trên nó có thể lớn nhưng dòng rò qua van sẽ có giá trị rất nhỏ, vì vậy tổn hao công suất có thể bỏ qua Tổn hao công suất trong chế độ tĩnh chủ yếu sinh ra khi van dẫn dòng Với đa

số các phần tử bán dẫn, điện áp rơi trên van thường không đổi, ít phụ thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua Như vậy có thể dễ dàng xác định được tổn hao công suất trong trạng thái van dẫn

1.9.2 Tổn thất trong quá trình đóng cắt

Trong quá trình đóng cắt, công suất tổn hao tức thời có thể có giá trị lớn vì dòng điện

và điện áp rơi trên van đều có thể có giá trị lớn đồng thời Nói chung, thời gian đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong cả chu kỳ hoạt động của phần tử nên tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong công suất tổn hao trung bình Tuy nhiên phần tử phải làm việc với tần số đóng cắt cao thì tổn hao do đóng cắt lại chiếm một phần chính trong công suất phát nhiệt

Xác định tổn hao trong chế độ đóng cắt là một nhiệm vụ không đơn giản, vì phải phân biệt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt, do đó ảnh hưởng đến tổn hao công suất

1.10 SO SÁNH TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Hình 1.17 So sánh tương đối giữa các phần tử bán dẫn

Có thể so sánh một cách tương đối các phân tử bán dẫn công suất theo khả năng đóng cắt về công suất (điện áp và dòng điện) và tần số đóng cắt để thấy được phạm vi ứng dụng của các phần tử khác nhau Hình 1.17 mô tả sự so sánh tương đối này

Thyristor là những phần tử được chế tạo cho khả năng đóng cắt về công suất lớn nhất Những thyristor lớn nhất có điện áp chịu được đến 4500V, dòng điện tối đa đến 4000A Phạm vi hoạt động về tần số đối với thyristor lại là thấp nhất vì thời gian trễ đóng mở của cấu trúc p-n-p-n tương đối lớn, trễ khi mở cỡ 5s, trễ khi khoá cỡ 10 đến 200 s Vì vậy các thyristor được ứng dụng chủ yếu trong các sơ đồ chỉnh lưu, trong đó các khoá sẽ chuyển mạch tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới với tần số 50 – 60 Hz Thyristor là

phần tử điều khiển không hoàn toàn, có thể điều khiển mở bằng cực điều khiển nhưng không thể khoá lại được

GTO là bước cải tiến đáng kể về công nghệ chế tạo của thyristor GTO có khả năng đóng cắt về công suất thấp hơn so với thyristor nhưng phạm vi hoạt động về tần số thì lại cao hơn Do có khả năng khoá lại bằng cực điều khiển nên thời gian trễ khi khoá được rút ngắn lại một cách đáng kể so với thyristor GTO được ứng dụng trong các sơ đồ nghịch lưu với công suất trung bình và tần số trung bình Việc ứng dụng các GTO đã dẫn đến công suất của các bộ biến tần được chế tạo ngày càng lớn

Transistor và IGBT là những phần từ bán dẫn được ứng dụng với những phạm vi công suất nhỏ nhưng yêu cầu tần số làm việc cao Đặc biệt là các IGBT đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi và thay thế dần các transistor thường Với công suất điều khiển yêu cầu rất nhỏ việc sử dụng IGBT làm đơn giản đáng kể thiết kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước của hệ thống điều khiển này ngày càng thu nhỏ

Với ưu thế tuyệt đối về thời gian đóng cắt cực nhỏ (cỡ 0,5 đến 1 s) các MOSFET chiếm ưu thế tuyệt đối cho các ứng dụng yêu cầu tần số đóng cắt rất cao (đến vài trăm kHz) nhưng công suất tương đối nhỏ, ví dụ như các bộ nguồn xung cho máy tính PC

1.11 VẤN ĐỂ LÀM MÁT VAN BÁN DẪN

Tổn hao công suất, bằng tích của dòng điện chạy qua phần tử với điệp áp rơi trên phần tử, tỏa ra dưới dạng nhiệt trong quá trình làm việc Nhiệt lượng tỏa ra tỷ lệ với trung bình của tổn hao công suất Trong quá trình làm việc nhiệt độ của bản thân cấu trúc bán dẫn phải luôn ở dưới một giá trị cho phép (khoảng 120 C đến 150 C theo đặc tính kỹ thuật của phần tử ) ,vì vậy nhiệt lượng sinh ra cần phải được dẫn ra ngoài, nghĩa là đòi hỏi phải có quá trình làm mát các phần tử bán dẫn

1.11.1 Truyền nhiệt

Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra Khi nhiệt độ của van cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môi trường Tới giới hạn nào đó nhiệt lượng do công suất tổn hao sinh ra, với lượng nhiệt truyền vào môi trường bão hòa thì nhiệt độ của van không tăng nữa

2 t P

0

Hình 1.18 Đường cong nhiệt độ

Hình 1.18 giới thiệu đường cong nhiệt độ của một van trong môi trường truyền nhiệt đồng nhất Đường cong Pt1 ứng với van khi làm việc có công suất tiêu hao lớn; đường cong pt2 ứng với van làm việc khi có công suất tiêu hao nhỏ; θ là trênh lệch nhiệt độ giữa van và môi trường

1.11.2 Các biện pháp làm mát cho van

Mỗi loại van khi đưa vào thị trường, các nhà sản xuất bao giờ cũng cung cấp cho người sử dụng biết các thông số quan trọng như: Itbv, Ung.max, Tmax… Nhưng chúng ta cần lưu ý rằng các van do các nước sản xuất thường có nhiệt độ môi trường là 20÷250C Vì vậy để làm việc với các thông số danh định do nhà sản xuất đưa ra bắt buộc các van phải được làm mát Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt với các thông số phù hợp Có 2 biện pháp làm mát thường gặp:

vị trí làm mát

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Nêu đặc tính cơ bản chung của các phần tử bán dẫn công suất

2 Phân biệt hai loại van bán điều khiển và điều khiển hoàn toàn, cho ví dụ

3 Phân tích đặc tuyến vôn-ampe của các van bán dẫn

4 Phân tích điều kiện mở/ khóa các van bán dẫn (điôt, thyristor, transistor…)

5 Để chọn một phần tử bán dẫn công suất phải dựa trên các thông số cơ bản nào?

6 Tại sao cần hạn chế tốc độ tăng dòng, tăng áp trên thyristor?

7 Tổn thất trên van bán dẫn trong quá trình làm việc bao gồm những thành phần nào

8 Tại sao phải đặt vấn đề làm mát cho van bán dẫn

~

P

~ 2

U

P

d

d,IU

Kđmv

P

d

d,IU

K đmra

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Trong sơ đồ:

 Máy biến áp (BA) làm hai nhiệm vụ chính là:

a) Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều u1 sang điện áp u2 thích hợp với yêu cầu của tải Tuỳ theo yêu cầu của tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm áp

b) Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể cần số pha là 6, 12…

Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp

 Mạch van (MV): là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

 Mạch lọc (ML): nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu

2.1.2 Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:

1 Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha

v.v

2 Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van:

Đối với mạch chỉnh lưu, hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và thyristor, vì thế

có ba loại mạch sau:

- Mạch van dùng toàn điôt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển

- Mạch van dùng toàn thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển

- Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển

3 Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau Có hai kiểu mắc van:

a) Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van Tất cả các van đều mắc chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung, hoặc anôt chung

b) Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó Thí dụ: chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa là mạch chỉnh lưu này dùng kiểu măc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van là ba pha, và dùng 6 van

có cả điôt và thyristor

2.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu

Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm thông số chính như dưới đây:

1 dt ) t ( u T

1 U

2

0 d T

0 d

1 I

2

0 d

Itbv – giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van

Ung.max – điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

Đây là hai tham số giúp việc lựa chọn van phù hợp để không hỏng khi hoạt động trong mạch

S ba  1  2

= k sđ P d (2.3) trong đó:

1 1

i 2 i 2

2 U I

S (2.5)

ở đây các giá trị U1, I1, U2i, I2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp máy biến áp Do phía thứ cấp có thể có nhiều cuộn dây, nên phải tổng cộng công suất của tất cả m cuộn dây

Để đánh giá khả năng biến đổi của công suất xoay chiều thành một chiều, công suất lấy từ lưới điện Sba được so sánh với công suất một chiều Pd mà tải nhận được qua hệ số

ksđ Hệ số này càng gần 1 càng chính tỏ mạch có hiệu suất biến đổi tốt hơn

Ngoài ba nhóm tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằng phẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ số đập mạch kđm, được xác định theo biểu thức:

k đm =

0

m 1

U U

trong đó U1m là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu và U0

là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này U0 cũng chính là giá trị điện áp trung bình của điện áp chỉnh lưu, tức là U0 = Ud

2.1.4 Luật dẫn van

Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúng đều tuân theo hai kiểu mắc van với nhau là mắc catôt chung và mắc anôt chung Vì thế chỉ cần nhận biết hai quy luật dẫn này, ta có thể phân tích toàn bộ các mạch chỉnh lưu có trong thực tế

1D2D

nD

nD

1 K



2 K

Hình 2.2: a) Van đấu catôt chung; b) Van đấu anôt chung

1 Luật dẫn với nhóm van đấu catôt chung

Hình 2.2a là mạch van khi tất cả các điôt có catôt đấu với nhau Luật dẫn của nó được phát biểu như sau:

Van có khả năng dẫn là van có điện thế anôt của nó dương nhất trong nhóm, tuy nhiên nó chỉ dẫn được nếu điện thế anôt này dương hơn điện thế ở điểm catôt chung KC

Thí dụ, ở thời điểm hiện tại ta có:

A1 > A2 > A3 > … > An

và đồng thời A1 > KC thì van D1 sẽ dẫn Lúc đó nếu coi sụt áp trên van bằng 0 thì khi

D1 dẫn ta thấy KC = A1 Điều này dẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽ âm:

AK2 = A2 - KC = A2 - A1 < 0

………

AKn = An - KC = An - A1 < 0 Như vậy các van còn lại sẽ phải khoá không dẫn được

2 Luật dẫn với nhóm van đấu anôt chung

Ở nhóm van đấu anôt chung (hình 2.2b) có luật dẫn van sau:

Van có khả năng dẫn là van có điện thế catôt âm nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn điện thế anôt chung AC

Trong chương này sẽ áp dụng hai luật dẫn trên để phân tích các mạch chỉnh lưu thông dụng, trong đó sẽ coi các van là lý tưởng, như vậy khi dẫn sụt áp trên van bằng không (uAK = 0)

2.2 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN

Số lượng các mạch chỉnh lưu khá nhiều, song chủ yếu là một số mạch chính được gọi

là mạch cơ bản Những mạch này được xác định các tham số với mạch dùng van là điôt

và tải thuần trở

2.2.1 Chỉnh lưu một pha

1 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

Mạch van chỉ có một van duy nhất là điôt D (hình 2.3a) Giả thiết điện áp thứ cấp máy biến áp u 2 2 U 2 sin; với θ = ωt

+

(+)-

(-)2

di

)a

Hình 2.3

2u

2

U 2



0

2

U 2

du

2

0 2 2

0 d

2

1 d ) ( u 2

Điện áp ngược trên van chỉ xuất hiện khi van khoá, tức là trong khoảng (  2) Theo sơ đồ lúc đó uAK = u2, do đó điện áp ngược trên van Ungmax = 2U2 Một số tham

số khác của mạch chỉnh lưu này xem trong bảng 2.1

Nhìn chung, mạch chỉnh lưu này có các chỉ tiêu kỹ thuật kém nên chỉ thích hợp với tải nhỏ (đến một vài ampe)

2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa (chỉnh lưu hình tia hai pha)

Biến áp có điểm giữa biến điệp áp sơ cấp u1 thành hai điện áp ngược pha nhau 1800 ở thứ cấp '

2

u và u Sơ đồ mạch chình 2.4a 2''

Ở mạch van này các điôt D1, D2 đấu theo kiểu catôt chung, vì vậy chúng sẽ làm việc theo luật dẫn 1 trong đó anôt của điôt D1 nối với u , còn anôt của D'2 2 nối với điện áp u 2''Trong nửa chu kỳ đầu θ = (0 ), điôt D1 dẫn do u > '2 u , nên u2'' d = u '2

Trong nửa chu kỳ sau θ = ( 2), điôt D2 dẫn do u > 2'' u , nên u'2 d = u 2''

Do vậy điện áp chỉnh lưu ud sẽ có dạng ở hình 2.4b

D1 khoá D2 dẫn )

b

u1

u d 2

' u

2

' u

D 1

D2

) a

2

U 2



2

U 2

Hình 2.4

Điện áp chỉnh lưu trung bình nhận được trên tải là:

2 2

0

2 0

u

nên điện áp ngược cực đại trên điôt D2 là U ngmax = 2 2U2

Mạch chỉnh lưu này được sử dùng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài kW, nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có một van Nhược điểm của mạch là buộc phải có biến áp đổi số pha Hơn nữa một số thông số khác cũng không tốt

3 Chỉnh lưu cầu một pha

Mạh chỉnh lưu gồm 4 van D1  D4 đấu thành hai nhóm (hình 2.5a): D1D3 đấu catôt chung, D2D4 đấu anôt chung Nguồn xoay chiều dưa vào mạch van có thể lấy trực tiếp từ lưới hoặc thông qua biến áp

Trong nửa chu kỳ đầu (θ: 0), điện áp u2 > 0 với cực tính (+, -) trên sơ đồ Ta thấy, với nhóm catôt chung D1D3 thì anôt D1 dương hơn anôt D3 vì vậy D1 sẽ dẫn Còn ở nhóm anôt chung D2D4 thì catôt D2 âm hơn catôt D4 vì vậy D2 dẫn Như vậy, nửa chu kỳ đầu

D1D2 dẫn, điện áp nhận được trên tải ud = u2

Trong nửa chu kỳ sau (θ: 2), điện áp u2 < 0 với cực tính đảo lại ((+), (-)), lý luận tương tự ta thấy điôt D3D4 dẫn, điện áp nhận được trên tải ud = -u2

)b

u 2

2 U 2

2 U 2



2 U 2

D1,D2 dẫn D3, D4 khóa

D1,D2 khóa D3, D4 dẫn

Hình 2.5

Đối với điện áp ra tải, ta luôn thấy điểm a trong cả hai nửa chu kỳ đều được nối với cực tính dương (+) của nguồn u2, và điểm b luôn được nối với cực tính âm (-) của u2 Vì vậy điện áp ra tải ud giống của chỉnh lưu hình tia hai pha, do đó ta cũng có:

U 9 , 0 U 2 2 U

d d

2 2

U ngmax = 2U2 (2.10)

Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế, nhất là với điện áp trên 10V, dòng tải có thể đến một trăm ampe Ưu điểm của mạch là có thể không cần biến áp Nhược điểm của nó là có hai điôt tham gia dẫn dòng: điôt nhóm lẻ dẫn dòng ra tải, nhóm điôt chẵn dẫn dòng từ tải về nguồn Như vậy sẽ có sụt áp do hai điôt gây ra, chính lý do này làm cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10V khi dòng tải lớn

2.2.2 Chỉnh lưu hình tia ba pha

Mạch van gồm ba điôt D1, D2, D3 mắc thành một nhóm (hình 2.6a), ở đây là kiểu catôt chung, do vậy chúng sẽ hoạt động theo luật dẫn 1 Điện áp xoay chiều đưa vào mạch van là nguồn ba pha đối xứng ua, ub, uc Theo sơ đồ ta thấy anôt D1 đấu với ua; anôt

D2 đấu với ub; anôt D3 đấu với uc Vì thế:

Trong khoảng 1 2 (tức từ π/6 5π/6), ua > ub, uc nên điôt D1 dẫn, ud = ua

Trong khoảng 2 3 (tức từ 5π/6 3π/2), ub > ua, uc nên điôt D2 dẫn, ud = ub

Trong khoảng 3 4 (tức từ 3π/213π/6), uc > ua, ub nên điôt D3 dẫn, ud = uc

a

u d

A B C

N

b c

)/32sin(

Uu

)/32-sin(

Uu

sinUu

222

6 / 5 6 / 2 a

1 2

6 3 d sin U 2 3 / 2

1 d

) ( u

1 U

I

I tbv  dĐiện áp ngược trên van: ungược van = udây nguồn Điện áp ngược cực đại trên van là điện

áp dây cực đại:

U ngmax = U dây max = 3 2U2  6U2 (2.12) Chỉnh lưu hình tia ba pha có đặc điểm tương tự chỉnh lưu hình tia hai pha Để mạch hoạt động cần có biến áp để đưa điểm trung tính N ra tải Vì mạch dùng nguồn ba pha nên công suất có thể tăng lên nhiều, dòng điện tải đến vài trăm ampe

2.2.3 Chỉnh lưu cầu ba pha

Mạch van gồm 2 nhóm, các điôt D1, D3, D5 đấu kiểu catôt chung (hình 2.7), nên hoạt động theo luật :

D1 dẫn trong khoảng π/6 5π/6 khi ua dương nhất;

D3 dẫn trong khoảng 5π/6  3π/2 khi ub dương nhất;

D5 dẫn trong khoảng 3π/2  13π/6 khi uc dương nhất;

Các điôt D2, D4, D6 đấu kiểu anôt chung, nên:

D2 dẫn trong khoảng π/2  7π/6 khi uc âm nhất;

D4 dẫn trong khoảng 7π/6  11π/6 khi ua âm nhất;

D6 dẫn trong khoảng 11π/6  13π/6 khi ub âm nhất;

Đối chiếu theo đồ thị dẫn các van trên hình 2.7c ta thấy, bất kỳ ở thời điểm nào cũng

có một điôt nhóm trên dẫn với một điôt nhóm dưới Thí dụ trong khoảng π/6 5π/6 là điôt D1D6 dẫn Lúc đó theo sơ đồ thay thế ở hình 2.7b ta thấy điện áp ra tải ud chính là điện áp dây của nguồn xoay chiều uab Làm tương tự như vậy ta sẽ thấy rằng, trong một chu kỳ của điện áp xoay chiều, điện áp ud sẽ hình thành từ 6 đoạn điện áp của nguồn xoay chiều theo thứ tự uab – uac – ubc - uba – uca - ucb Điện áp trung bình nhận được trên tải là:

U - sin U 2

6 d ) u - u ( 6 / 2

1 U

2 /

6 /

m 2 m

2

2 /

6 /

b a

2

2 2 , 34 U U

Điện áp ud của các mạch chỉnh lưu có dạng gợn sóng, không phẳng, gọi là độ đập mạch Số lần đập mạch (ký hiệu mđm) trong một chu kỳ của nguồn xoay chiều 2 phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu Số đập mạch mđm càng cao thì dạng ud càng phẳng, tức là hệ

Sáu pha có cuộn

2.3 CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN DÙNG THYRISTOR

2.3.1 Khái niệm về góc điều khiển 

Mạch chỉnh lưu dùng van là điôt tuy đơn giản nhưng chỉ cấp ra tải một điện áp xác

định U d = k sđ U 2, chỉ phụ thuộc vào mạch van và điện áp nguồn U2, không cho phép thay đổi hoặc giữ ổn định theo yêu cầu công nghệ của tải Điều này do điôt luôn tự dẫn dưới tác động của chính điện áp nguồn xoay chiều gọi là mở tự nhiên Nếu thay điôt bằng thyristor sẽ điều khiển được điểm dẫn của van theo ý muốn, vì để mở cần có đồng thời hai điều kiện: Thứ nhất, điện áp trên van phải dương, UAK > 0; thứ hai, có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển của nó Như vậy sử dụng điều kiện thứ hai ta khống chế được điểm mở thyristorr theo ý muốn Để thực hiện trong mạch điều kiện này người ta sử dụng khái niệm góc điều khiển (còn gọi là góc mở) được ký hiệu bằng  Quy ước về góc này như sau:

Góc điều khiển  là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm thyristor được phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là điôt thì nó bắt đầu dẫn

Việc tính toán góc  để mở van trong mạch chỉnh lưu thyristor theo yêu cầu công nghệ do khối điều khiển đảm nhiệm và được đề cập chi tiết ở chương 5 Tại chương này chỉ xem xét ảnh hưởng của góc điều khiển  đến tham số Ud của chỉnh lưu

2.3.2 Chỉnh lưu điều khiển một pha một nửa chu kỳ tải thuần trở

Để so sánh chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu điều khiển, trên sơ đồ hình 2.8

dựng các đồ thị ud ở hai trường hợp này Hình 2.8b là điện áp chỉnh lưu nhận được khi dùng điôt Hình 2.8c là chỉnh lưu có điều khiển Trong sơ đồ này ở giai đoạn (0  ) mặc

dù điện áp trên thyristor T đã dương, song phải đến thời điểm  thì thyristor mới nhận được tín hiệu điều khiển IG từ khâu phát xung (FX) Do đó:

Trong giai đoạn (0 ) thyristor khoá: ud = 0

Trong giai đoạn ( ) thyristor mở: ud = u2()

Trong giai đoạn ( 2) thyristor khoá: ud = 0

u 1 u 2 u d

idT

Như vậy điện áp ud bây giờ không còn là toàn bộ nửa hình sin dương của điện áp

nguồn xoay chiều u2, mà chỉ là một phần của nó với độ lớn tuỳ thuộc góc  Ta có:

2

cos 1 U

2 d

sin U 2 2

1 d

) ( U 2

1

2

0 2 d

Khi điều khiển với  = 0 có giá trị Ud0:

2 2

cos 1 U

U d  0    0  (2.15) Biểu thức này cho thấy điện áp chỉnh lưu Ud là một hàm phụ thuộc vào góc điều khiển  Như vậy muốn điều chỉnh điện áp ra tải chỉ cần tác động vào tham số duy nhất

là  Ở mạch chỉnh lưu này, bằng cách thay đổi  từ 0 đến 1800 ta điều chỉnh được điện

áp Ud từ giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất (bằng 0)

Các tham số của chỉnh lưu dùng thyristor đều lấy từ chỉnh lưu dùng điôt (bảng 2.1), với lý do đơn giản là khi  = 0 (tương ứng với chỉnh lưu không điều khiển) thì điện áp chỉnh lưu lớn nhất và mạch cũng mang tải nặng nhất

2.3.3 Chỉnh lưu điều khiển hình tia tải thuần trở

1 Chỉnh lưu hình tia hai pha

Hình 2.9 là đồ thị minh hoạ chỉnh lưu điều khiển này Lưu ý rằng trong mạch chỉnh lưu nhiều pha, góc điều khiển  của các thyristor phải bằng nhau: 1 = 2 =  Sự sai

lệch giữa chúng được đánh giá bằng độ mất đối xứng

I

2 G

cos 1 U 2 2

0 2

Với tải thuần trở, dạng dòng điện id tương tự dạng điện áp Ud, và ta thấy dòng điện sẽ

có đoạn bằng 0 (id = 0) trong toàn dải điều chỉnh Do vậy dòng điện này được gọi là dòng điện gián đoạn

2 Chỉnh lưu hình tia ba pha dùng thyristor

Đồ thị điện áp ud của mạch chỉnh lưu này thể hiện trên hình 2.10b với góc điều khiển

 = 300 Đây là góc đặc biệt

a Nếu   300, điện áp ud sẽ có đoạn bằng 0, vì vậy khi tải thuần trở, dòng điện id sẽ gián đoạn, tức là có những đoạn id = 0, và dòng điện qua van luôn kết thúc khi điện áp pha về 0 Đồ thị ud có dạng hình 2.11a, theo đó có:

U 2

2 3 d sin U 2 2

3 d ) ( u 2

1

0 2 2

0 d

1 U 3

) 30 cos(

1 U 2

6

0

0 2

1 G

I

2 G

I

3 G

I

du

au

dR

) a

cu

Hình 2.10

b Nếu  < 300, dạng điện áp ud ở hình 2.11b Ta thấy điện áp ud luôn lớn hơn 0 Như vậy tải thuần trở, dòng điện id sẽ luôn tồn tại và chảy liên tục qua tải, vì vậy dạng dòng điện này gọi là dòng điện liên tục Ở đây quy luật điện áp ud khác đi, không tuân theo biểu thức (2.17) vừa có Với lưu ý rằng ba van sẽ thay nhau dẫn trong một chu kỳ, nên mỗi van dẫn một khoảng 23, do đó:

3

120 30 30

2 d

0 0 0

độ dòng: nếu dòng gián đoạn theo quy luật (2.17); nếu dòng liên tục lại theo (2.18)

2.3.4 Chỉnh lưu điều khiển hình cầu tải thuần trở

1 Sơ đồ cầu một pha

Sơ đồ hình 12a, ta cần phát xung mở van theo cặp và phải đồng thời như ở hình 2.12b

I



2 G

I



4 G

2

cos 1 U

(2.19)

với U d0 = 0,9U 2

2 Sơ đồ cầu ba pha

Để cấp điện cho tải phải đảm bảo có hai van dẫn: một của nhóm lẻ, một của nhóm chẵn

Như vậy khi phát xung mở van cho mạch hoạt động cũng phải đồng thời phát xung

mở cho hai thyristor cần dẫn Trên đồ thị ở hình 2.14 thể hiện điều này ở chỗ mỗi thyristor được phát hai xung: xung đầu tiên xác định góc , xung thứ hai đảm bảo thông mạch tải

Ở đây phải đảm bảo góc điều khiển các van phải như nhau: 1 = 2 = … = 6 = 

R d

ud

ida

I

2 G

I

3 G

I

4 G

I

5 G

I

6 G

Nếu  600 ta sẽ có quy luật dễ nhớ là:

U d = U d0 cos = 2,34U 2 cos (2.20) Nếu  > 600 thì dòng điện sẽ gián đoạn Điện áp chỉnh lưu nhận được là:

2

) 60 cos(

1 U 6 3 d sin U 3 2

3 U

0 2

60

2 d

1 U

0 0





(2.21)

2.4 CHỈNH LƯU VỚI TẢI MỘT CHIỀU CÓ TÍNH ĐIỆN CẢM L D

Chính lưu với tải có tính chất điện cảm, ký hiệu Ld Sự hiện diện của Ld làm thay đổi

cả dạng điện áp tải ud và dòng điện tải id Nguyên nhân do tính chất cản trở sự biến thiên đột ngột của dòng điện đi qua điện cảm

2.4.1 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải R d L d

Tương tự như trường hợp tải thuần trở, thyristor T chỉ có khả năng dẫn ở nửa chu kỳ khi điện áp u2 dương Tuy nhiên van chỉ dẫn ở thời điểm phát xung tương ứng góc 1 =

u

u L  R  2  2hay:



sin U 2 R

i dt

di

L d d  d d  2 (2.22) Dòng điện id() gồm hai thành phần: dòng cưỡng bức icb và dòng tự do itd:

i d = i cb + i td

Dòng cưỡng bức chịu sự tác động của nguồn u2 theo quy luật:

) sin(

X R

U 2 i

2 d

2 d

d

R

X R

L

Vậy dòng tải là:

Q 2

d

2 d

2

X R

U 2 i

Hệ số A xác định từ điều kiện đóng mạch có điện cảm id( = ) = 0 Đưa vào (2.25)

ta rút ra:

Q 2

d

2 d

2

e ).

sin(

X R

U 2 A

d

2 d

2

X R

U 2 i

Về bản chất, sau thời điểm , dưới tác dụng của nguồn u2, dòng điện id sẽ tăng dần từ

0 mà không tăng đột biến do tác động của điện cảm Ld Sức điện động eL của điện cảm này luôn chống lại sự biến thiên của dòng điện đi qua nó Vì vậy còng id biến thiên chậm pha hơn so với điện áp nguồn u2 Điều này dẫn đến ở thời điểm  = , mặc dù nguồn bằng 0, song dòng id > 0, vì vậy thyristor chưa khoá lại được Chỉ đến thời điểm 2 > , khi dòng id về đến 0, thyristor mới bắt đầu khoá

Đồ thị hình 2.16 mô tả dạng dòng id và tác động cử s.đ.đ tự cảm eL lên mạch

Như vậy, nếu ở trường hợp tải thuần trở khi các van luôn khoá ở thời điểm π, và góc dẫn của van luôn là λ = (π – α), thì khi có điện cảm Ld, dòng điện kéo dài qua điểm π, và góc dẫn của van λ = θ3 – θ1 > π – α

Giá trị λ xác định từ biểu thức (2.26) với điều kiện i(θ = α + λ) = 0, và ta có phương trình sau:

Q -

)e - sin(

) - sin(

Dạng điện áp ud cũng khác so với trường hợp tải thuần trở Do chừng nào thyristor còn dẫn, thì vẫn có ud = u2, nên điện áp ud bám theo u2 đến hết điểm 3 Như vậy điện áp

ud có đoạn âm Ở đây lưu ý rằng, tuy ud có thể coi là xoay chiều (có hai dấu (+) và (-)), song dòng điện id chỉ có một chiều duy nhất Theo đồ thị ud ta tính được trị số trung bình:

2

) cos(

cos U 2 d

sin U 2 2

1

2 d

cos

 - (2.28) Giá trị trung bình của dòng điện tải Id cũng có thể tính theo biểu thức (2.20) Song vì

Id là thành phần không đổi nên nó không gây sụt áp trên cuộn cảm Ld, do đó vẫn có:

R

U

I d  dKhi mạch dùng van điôt, ta có các quy luật rút ra từ các biểu thức (2.26); (2.27); (2.28) với  = 0, được:

2 d

2

X R

U 2 i







 (2.29)

e sin )

(2.31)

2.4.2 Chỉnh lưu hình tia hai pha với tải có L d

Trong mạch này, điện cảm Ld cũng ảnh hưởng như ở mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ vừa xét ở trên Có nghĩa là dòng điện sẽ kéo dài hơn, hay các van sẽ dẫn lâu hơn so với trường hợp tải thuần trở

Tuy nhiên ở đây có điểm khác biệt, thể hiện trên đồ thị hình 2.17 với hai dạng dòng id

khác nhau, được gọi là chế độ dòng liên tục và chế độ dòng gián đoạn

0

2

U 2

2

U 2

2

''i

di

Chế độ dòng gián đoạn

Chế độ dòng liên tục

2 ' i

Dạng dòng id thể hiện ở đồ thị hình 2.17 Ở chế độ này, khi van T1 dẫn dòng, dòng id

sẽ xuất hiện từ thời điểm α rồi tắt đi ở thời điểm θ2 Sau đó một thời gian, van T2 bắt đầu dẫn dòng ở thời điểm (π+α), dòng id lại xuất hiện từ (π+α) và kéo dài đến θ4 lại tắt Như vậy dòng id lúc có, lúc mất, tức là gián đoạn

Trong trường hợp này ta thấy dường như tải được cấp bởi hai mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ hoạt động kế tiếp nhau từng nửa chu kỳ một Do vậy các biểu thức tính toán (2.26), (2.27), (2.28) là đúng cho trường hợp dòng gián đoạn của chỉnh lưu hình tia hai pha

2.Chế độ dòng điện liên tục

Dạng dòng điện id ở hình 2.17 Ở chế độ này, khi van T1 dẫn, dòng id chảy qua T1 sẽ kéo dài và chưa kịp tắt thì van T2 đã được phát xung mở, dòng id lại chảy qua T2 và tăng lên Đến lượt mình, dòng này chưa kịp tắt thì van T1 đã được phát xung mở trở lại ở thời điểm θ = (2π+α) Như vậy không còn giai đoạn dòng id = 0, dòng tải liên tục chảy không

bị đứt đoạn như trường hợp trên

Trong chế độ này dạng dòng điện id và điện áp ud khác đi (hình 2.17) Dạng điện áp udluôn bám theo điện áp pha của nguồn có van dẫn, do đó không còn giai đoạn ud = 0 Ta có:

có quy luật:

id(α) = id(α + π) (2.33) Khi có van dẫn, sơ đồ thay thế mạch van tương tự như hình 2.15, do đó phương trình mạch điện và biểu thức dòng id vẫn như vậy, tức là ta vẫn có:

Q 2

d

2 d

2

X R

U 2 )

( i

1 e X R

e ) sin(

U 2 A

Q 2 d

2 d

Q 2

Q

2 d

2 d

2

e 1

) sin(

2 ) sin(

X R

U 2 )

( i

d d

R

cos U R

2.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH VAN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN CẢM XOAY CHIỀU L A

2.5.1 Các quá trình chuyển mạch

Ở mục trước ta đã xem xét ảnh hưởng của điện cảm phía một chiều (tải RL) đến sự làm việc của mạch chỉnh lưu Mục này ta xét đến tác động của điện cảm phía xoay chiều đến chỉnh lưu

Khi phân tích mạch chỉnh lưu ở các mục trước đây, ta luôn coi nguồn xoay chiều cấp cho mạch van là lý tưởng, tức là có tổng trở trong bằng không Tuy nhiên các nguồn thực

tế đều có nội trở, nhất là chỉnh lưu có dùng biến áp Với dải công suất lớn thường điện trở nguồn nhỏ hơn điện kháng nguồn, vì vậy ta chỉ xem xét nguồn với điện kháng nguồn có điện cảm là La

1 Khi nguồn lý tưởng (L a = 0)

Tải làm việc ở chế độ dòng liên tục, ta xét hai van cạnh nhau ở hình 2.18

Giả sử T1 đang dẫn dòng tải Id, đến thời điểm 1 là lúc van T2 được phát xung mở Do ở thời điểm này u2 > u1 nên T2 dẫn sẽ làm T1 khoá ngay

Vì vậy dòng tải Id cũng chuyển ngay từ van T1 sang van T2 Như vậy ngay ở 1: dòng qua T1 giảm đột biến từ giá trị Id về 0, còn dòng qua T2 tăng đột biến từ 0 đến Id Đây là hiện tượng chuyển mạch van một cách tức thời Trong suốt chu kỳ làm việc, điện thế điểm catôt chung luôn gắn với một nguồn nào đó có van dẫn: udN = upha

iT1iT2

T22

u

i1

i2

idLa

2.5.2 Quy luật của chuyển mạch trùng dẫn

1 Quy luật điện áp u dN

Khi hai van T1, T2 dẫn,

ta có sơ đồ thay thế mạch

điện như trên hình 2.20

Theo đó viết được hai

Hình 2.20

dt

di L - u

a 1

dN  (2.38)

dt

di L - u

u dN  2 a 2 (2.39) Cộng hai phương trình trên được:

) dt

di dt

di ( L - u u u

a 2 1

dN    (2.40) Tại điểm nút catôt chung: i 1 i 2 I d, nếu coi dòng id phẳng hoàn toàn trong khoảng

, đạo hàm hai vế biểu thức này được:

dt

di dt

di 1  2 

Từ đây đưa vào biểu thức (2.33) cho phép rút ra quy luật:

2

u u

u dN  1 2

(2.41)

Như vậy: trong giai đoạn chuyển mạch trùng dẫn, điện áp biến thiên theo quy luật

bình quân các điện áp pha nguồn có van tham gia chuyển mạch

2 Quy luật dòng điện

Để xác định các dòng i1, i2 trong khoảng , ta xét dòng i trên sơ đồ mạch ở hình 2.20

Ta có phương trình:

1 2

dt

di L

2   (2.42) Với nguồn m pha, nếu lấy u2 làm gốc thì:



sin U 2

và )

m

2 sin(

m sin U 2 u

Vì quá trình bắt đầu ở 1 (xem hình 2.19), ta dịch trục toạ độ sang điểm này để có:

m sin U dt di

sin m sin U 2 dt

di L 2

a

m 2

m 2 a

C ) cos(

X m sin U - ) ( i

a

m 2

m sin U C

a

m 2

Cuối cùng:

cos - cos( )

m

sin X

U ) ( i

a

m

   (2.43) Quy luật dòng i2 (van mới mở) chính là i()

Quy luật dòng i1 là: i 1 () = I d – i()

3 Góc trùng dẫn

Xác định từ điều kiện i2( = ) = Id Thay vào (2.43) rút ra:

m sin U

I X )

cos(

cos

m 2

d a

So sánh với điện áp udN không có trùng dẫn ta thấy, khi trùng dẫn điện áp udN bị mất

một đoạn Tức là điện áp chỉnh lưu bị nhỏ đi một lượng U:

dN

2

u u - u 2

m d u - u 2

m U

m d

2

u - u 2 m

m

m 2

Thay (2.44) vào biểu thức này ta có:

m / 2

I X



   (2.45) Vậy điện áp chỉnh lưu chỉ còn: